5CVD化学气相淀积

多晶硅和其他介质膜的CVD法CVD化学气相淀积定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。其英文原名为“ChemicalVapourDeposition”，简称为“CVD”。可用于淀积导体（金属）、半导体、介电材料等。2半导体薄膜：Si介质薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成单晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-SiDeposition31）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(CVD)一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：蒸发evaporation，溅射sputtering两类主要的淀积方式4除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electrolessplating/electroplating5CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料多晶硅薄膜的应用6ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20017对薄膜的要求组分正确，玷污少，电学和机械性能好片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3.台阶覆盖性好（conformalcoverage—保角覆盖）填充性好平整性好

8化学气相淀积（CVD）单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等CVD反应必须满足三个挥发性标准在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的淀积物本身必须具有足够低的蒸气压9(1)反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留层”，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面(2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应(3)化学反应生成的固态物质，即所需要的淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜(4)反应后的气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室化学气相淀积的基本过程10例如：热分解SiH4，

SiH4=Si（多晶)+2H2(g)，

SiH4+O2=

SiO2（薄膜）+2H2CVD薄膜：SiO2、Si3N4、PSG、BSG（绝缘介质）、多晶硅、金属（互连线/接触孔/电极）、单晶硅（外延）CVD系统：常压CVD（APCVD）低压CVD（LPCVD）等离子CVD（PECVD）CVD工艺特点：

（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成;设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。产生化学反应的能源：热CAD、等离子体CAD(低温)、光学激发CVD(低温)化学气相淀积过程

1、反应气体向硅片附近的输运

2、气体产生中间物质分子

3、所产生的反应物输运到硅表面

4、表面反应释放出硅（淀积到表面）

5、气体副产物被释放

6、副产物从硅表面外运

7、副产物离开反应器6.1CVD模型6.1.1CVD的基本过程①传输：反应剂从气相经附面层（边界层）扩散到（Si）表面；②吸附：反应剂吸附在表面；③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；⑤脱吸：副产物脱离吸附；⑥逸出：脱吸的副产物从表面扩散到气相，逸出反应室。CVD反应式中气体流动情况CVD模型

边界层理论CVD气体的特性：平均自由程远小于反应室尺寸，具有黏滞性；平流层：主气流层，流速Um均一；边界层（附面层、滞留层）：流速受到扰动的气流层；泊松流（PoisseulleFlow）：沿主气流方向（平行Si表面）没有速度梯度，沿垂直Si表面存在速度梯度的流体；

边界层理论边界层厚度δ（x）：流速小于0.99Um的区域；

δ（x）=（μx/ρU)1/2μ-黏滞系数，x-距基座边界的距离，ρ-密度，U-边界层流速；平均厚度Re=ρUL/μ，雷诺数（无量纲）：惯性力/黏滞力雷诺数取值：<200，平流型；商业CVD：50-100；>200，湍流型（防止）。

Grove模型①假定边界层中反应剂的浓度梯度为线形近似，则流密度为：F1=hg(Cg-Cs)hG-气相质量转移系数，CG-主气流中反应剂浓度，

CS-表面处反应剂浓度；②表面的化学反应速率正比于Cs，则流密度为：F2=ksCs③平衡状态下，F=F1=F2，则

Cs=Cg/(1+ks/hg)Grove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节：①反应剂在边界层的输运过程；②反应剂在衬底表面上的化学反应过程。Grove模型

Cs=Cg/(1+ks/hg)④两种极限：a.hg>>

ks时，

Cs→Cg

，反应控制；b.hg<<

ks时，

Cs→0，扩散控制；⑤薄膜淀积速率G的一般表达式设形成一个单位体积薄膜所需的原子数为N1，（Si：N1=5x1022cm-3；），则稳态下（平衡状态）,由

F=F1=F2，F2=ksCs

及Cs=Cg/(1+ks/hg)，得

G=F/N1=F2/N1=[kshg/(ks+hg)](Cg/N1)其中，Cg=YCT,(多数CVD过程，反应剂被稀释)Y-反应剂的摩尔百分比，CT-分子总数/cm3；一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y，

（Cg=YCT）

两个结论：

a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比；

b.当Cg或Y为常数时，G由ks、hg中较小者决定：hg>>

ks，G=（CTksY)/N1，反应控制；hg<<

ks，G=（CThgY)/N1

，扩散控制；影响淀积速率的因素①主气体流速Um∵G=（CThgY)/N1

（扩散控制），

hg=Dg/δs=，以及Re=ρUL/μ，U≤0.99Um，∴结论：扩散控制的G与Um1/2与成正比

提高G的措施：a.降低δs：缩小基座的长度L；

b.增加Um：但Um增大到一定值后→hg>>

ks→转为反应控制→G饱和。6.1CVD模型②淀积速率与温度的关系低温下，hg>>

ks，反应控制过程，故

G与T呈指数关系；高温下，hg<<

ks，质量输运控制过程，

hg对T不敏感，故

G趋于平稳。6.2CVD系统CVD系统的组成

①气体源：气态源和液态源；

②气路系统:气体输入管道、阀门等；

③流量控制系统：质量流量计；

④反应室：圆形、矩形；

⑤基座加热系统：电阻丝、石墨；

⑥温度控制及测量系统6.2CVD系统6.2.2质量流量控制系统1.质量流量计作用：精确控制气体流量（ml/s)；操作：单片机程序控制；2.阀门作用：控制气体输运；化学淀积方法及设备简介化学淀积方法:1.常压化学气相淀积APCVD2.低压化学气相淀积LPCVD3.等离子化学气相淀积PCVD6.2.4CVD技术1.APCVD定义：气相淀积在1个大气压下进行；淀积机理：气相传输控制过程。优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便；缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。常压化学气相淀积特点特点:用于SiO2的淀积SiH4+O2=SiO2+H2Oφ100mm：10片，φ125mm:8片Time:15minTemp:380～450℃±6℃厚度均匀：<±5％6.2.4CVD技术2.LPCVD定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（±3－5％，常压：±10％）；台阶覆盖好；效率高、成本低。缺点：淀积速率低；温度高。淀积薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。低压化学气相淀积应用情况多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+N2O910℃6.2.4CVD技术3.PECVD（等离子体增强化学气相淀积）淀积原理:RF激活气体分子（等离子体），使其在低温（室温）下发生化学反应，淀积成膜。淀积机理：表面反应控制过程。优点：温度低（200－350℃）；更高的淀积速率；附着性好；台阶覆盖好；电学特性好；缺点：产量低；淀积薄膜：金属化后的钝化膜（Si3N4

）；多层布线的介质膜（Si3N4

、SiO2）。二、各种CVD方法等离子体化学气相淀积等离子体化学气相淀积PCVD或PECVD：Plasma-enhancedCVD等离子体增强化学气相淀积，是反应气体从辉光放电等离子场中获得激活能，激活并增强化学反应，从而实现化学气相淀积的技术。特点：温度低200~350℃，适用于布线隔离Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O2

6.3CVD多晶硅6.3.1多晶硅薄膜的特性

1.结构特性

①由无数生长方向各不相同的小晶粒(100nm量级）组成；主要生长方向（优选方向）－－<110>。

②晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键。

2.物理特性：扩散系数明显高于单晶硅；

3.电学特性①电阻率远高于单晶硅；②晶粒尺寸大的薄膜电阻率小。6.2.4CVD技术6.3.2CVD多晶硅工艺：LPCVD；气体源：气态SiH4；淀积过程：

①吸附：SiH4（g)→SiH4（吸附)②热分解：SiH4（吸附)=SiH2（吸附)+H2(g)SiH2（吸附)=Si（吸附)+H2（g)③淀积：Si（吸附)=Si（固)④脱吸、逸出：SiH2、H2脱离表面，逸出反应室。总反应式：SiH4（吸附)=Si（固体)+2H2(g)6.3CVD多晶硅特点：①与Si及SiO2的接触性能更好；②台阶覆盖性好。缺点：SiH4易气相分解。用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。多晶硅掺杂①扩散：电阻率低；温度高；②离子注入:电阻率是扩散的10倍；③原位掺杂：淀积过程（模型）复杂；实际应用6.4CVD二氧化硅6.4CVD二氧化硅6.4.1CVDSiO2的方法1.低温CVD①气态硅烷源硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD

淀积机理:SiH4+O2~400℃

SiO2（固）+H2硅烷和N2O（NO）：PECVD

淀积机理:SiH4+N2O200-400℃

SiO2+N2+H2O原位掺P：形成PSG

淀积机理:PH3(g)+5O2=2P2O5(固)+6H2

6.4CVD二氧化硅

优点：温度低；反应机理简单。缺点：台阶覆盖差。②液态TEOS源：PECVD淀积机理：Si(OC2H5)4+O2

250-425℃SiO2+H2O+CXHY优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。缺点:SiO2膜质量较热生长法差；

SiO2膜含C、有机原子团。

6.4CVD二氧化硅2.中温LPCVDSiO2温度：680-730℃化学反应：Si(OC2H5)4

→SiO2+2H2O+4C2H4优点：较好的保形覆盖。6.4CVD二氧化硅6.4.2台阶覆盖保形覆盖：所有图形上淀积的薄膜厚度相同；也称共性（conformal）覆盖。覆盖模型：

①淀积速率正比于气体分子到达表面的角度；

②特殊位置的淀积机理：

a直接入射b再发射c表面迁移6.4CVD二氧化硅保形覆盖的关键：①表面迁移：与气体分子黏滞系数成反比；②再发射6.4CVD二氧化硅6.4.3CVD掺杂SiO21.PSG工艺：原位掺杂PH3；组分：P2O5和

SiO2；磷硅玻璃回流（P-glassflow）工艺：PSG受热变软易流动，可提供一平滑的表面；也称高温平坦化（100-1100℃）2.BPSG工艺：原位掺杂PH3

、B2H6；组分：B2O3-P2O5-SiO2；回流温度：850℃；6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途：

①最终钝化膜和机械保护层；

②掩蔽膜：用于选择性氧化；

③DRAM电容的绝缘材料；

④MOSFETs中的侧墙；

⑤浅沟隔离的CMP停止层。

6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的特性：①扩散掩蔽能力强，尤其对钠、水汽、氧；②对底层金属可保形覆盖；钝化层③针孔少；④介电常数较大：(εSi3N4=6-9,εSiO2=4.2)

不能作层间的绝缘层。6.5CVDSi3N4CVDSi3N4薄膜工艺1.LPCVD①反应剂：SiH2Cl2+NH3→Si3N4+H2+HCl②温度：700-900℃；

③速率：与总压力（或pSiH2Cl2)成正比；

④特点：密度高；不易被稀HF腐蚀；化学配比好；保形覆盖；

⑤缺点：应力大；6.5CVDSi3N4